鄭寶榮，陳 峰

1.中城投集團(tuán)第八工程局有限公司，福建 廈門 361024；2.福建江夏學(xué)院 工程學(xué)院，福建 福州 350108

0 引言

水泥土是指土顆粒間被水泥漿填滿，通過一系列的物理化學(xué)作用形成具有高強(qiáng)度但滲透性相對較低的固結(jié)體［1］。水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是水泥土最基本的力學(xué)性能，也是專家學(xué)者們對水泥土研究的最多的一個(gè)性能。長期研究表明［2-5］影響水泥土強(qiáng)度性能的主要有水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期、水灰比、含水量等因素。隨著水泥土在工程建設(shè)當(dāng)中的應(yīng)用越來越廣泛，人們對于水泥土的工程性能要求也越來越高了。除了確定較優(yōu)的水泥摻量、水灰比、養(yǎng)護(hù)齡期、含水量等來提高水泥土的強(qiáng)度性能之外，近年來，對于在水泥土中摻入外加劑的研究也逐漸多了起來。常見的外加劑有：石灰、硅粉、礦粉、纖維、粉煤灰、水玻璃、復(fù)合外加劑、表面活性劑、化學(xué)藥劑等。蔡奕等［6］研究聚丙烯纖維石灰土力學(xué)特性的結(jié)果表明，纖維的摻入減小了石灰土的膨脹性，但增大了收縮性。王娟娣等［7］通過對沿海地區(qū)典型的軟粘土進(jìn)行配比試驗(yàn)，闡述了添加粉煤灰、復(fù)合外加劑等對改善水泥土強(qiáng)度特性的作用，并針對水泥攪拌含有機(jī)質(zhì)土?xí)r提出適宜采用的外加劑種類。楊雯雯等［8］研究表明纖維的摻入可以提高混凝土的基本力學(xué)性能、抗沖擊抗疲勞性能和耐久性能。玄武巖纖維屬于典型的硅酸鹽纖維，與其他常用的纖維相比，玄武巖纖維具有以下優(yōu)點(diǎn)［9］：①穩(wěn)定的化學(xué)性能；②良好的分散性和相容性；③優(yōu)良的耐溫性能；④較高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度；⑤性價(jià)比高，環(huán)保材料。Jone sung sim［10］研究表明，相比于普通的纖維水泥土，玄武巖纖維水泥土的拉伸強(qiáng)度高0.5～1倍，延伸率高3～5 倍，同時(shí)破壞時(shí)的形態(tài)和極限承載力也得到改善。林希寧等［11］也對玄武巖纖維與其他材料的復(fù)合情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究指出目前與玄武巖纖維進(jìn)行復(fù)合的材料主要是：瀝青材料、樹脂材料和其他纖維材料。趙亮等［12］研究了玄武巖纖維對水泥基材料力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明，在早齡期的時(shí)候，玄武巖纖維的加入有利于提高水泥基材的強(qiáng)度。本文基于上述研究，在水泥土中加入玄武巖纖維，開展玄武巖纖維含量對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響研究。

1 試樣材料

土樣來自福州火車站琴亭高架橋附近的某安置房項(xiàng)目的基坑內(nèi)，其基本物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1 所示。采用的水泥是42.5 級的普通硅酸鹽水泥，化學(xué)成分及基本性能見表2 所示。采用的玄武巖纖維是由浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的一種短切纖維，基本的物理力學(xué)性能指標(biāo)見表3 所示。

2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)的主要目的是研究玄武巖纖維摻量對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。因此，最重要的一個(gè)變量是玄武巖纖維的摻入比。結(jié)合已有的資料，玄武巖纖維的摻入比設(shè)置了4 個(gè)水平，分別為 0、0.5%、1.0%和 1.5%。以這樣等步增量的方式來進(jìn)行試驗(yàn)，有利于更好地分析玄武巖纖維摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。而另一個(gè)變量則是養(yǎng)護(hù)齡期，分別設(shè)置了 7d、28d、60d 和90d 四個(gè)水平的齡期，以研究養(yǎng)護(hù)齡期對玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。

表1 淤泥質(zhì)土土樣的基本物理力學(xué)性能指標(biāo)

表2 水泥的主要化學(xué)成分及基本性能

表3 玄武巖纖維基本物理力學(xué)性能指標(biāo)

除了上述兩個(gè)變量外，其他摻量都是常量。水泥土的含水率按原狀土的天然含水率57.5%進(jìn)行設(shè)置；玄武巖纖維的摻入比按式（1）進(jìn)行計(jì)算；水泥摻入比設(shè)置為15%，按式（2）進(jìn)行計(jì)算；水灰比設(shè)置為0.5，按式（3）進(jìn)行計(jì)算。對于每種配合比均制作三組試樣，分別進(jìn)行三個(gè)平行試驗(yàn)，結(jié)果取平均值，編號(hào)A、B、C、D 共4 組。具體的配合比設(shè)計(jì)為含水率57.5%，水泥摻入比15%，水灰比0.5，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7d、28d、60d 和90d，試樣數(shù)量各為3 個(gè)。

式中：m 為玄武巖纖維的質(zhì)量；m2為濕土的質(zhì)量。

式中：m1為水泥的質(zhì)量；m2為濕土的質(zhì)量。

式中：m3為水的質(zhì)量；m1為水泥的質(zhì)量。

3 試驗(yàn)及分析

3.1 試驗(yàn)步驟

本次無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試樣采用的是 70.7 mm×70.7 mm ×70.7 mm 的標(biāo)準(zhǔn)立方體塊，具體試驗(yàn)步驟如下：

（1）水泥土裝入三連模成型后，立即將其放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度為 20℃±3℃，相對濕度為 90%）養(yǎng)護(hù) 24h。

（2）養(yǎng)護(hù) 24h 后，將試樣從養(yǎng)護(hù)室中取出脫模并對其編號(hào)，最后再將其放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)的齡期。

（3）養(yǎng)護(hù)時(shí)應(yīng)注意每個(gè)試樣彼此間的距離不應(yīng)太近，且必須定期對試樣的

（4）將試樣取出后應(yīng)立即將表面的水分擦干，涂一層凡士林以防止水分蒸發(fā)，并測出相互垂直的兩條直角邊的邊長。

（5）接通儀器電源，打開操控面板，設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，本次試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式，加壓速率為0.03mm/s。

（6）將試樣放在承壓底板的正中心，調(diào)整上面板至試樣的頂部。

（7）然后開始加壓直至試樣破壞，最后記錄下試樣承受的極限荷載。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可根據(jù)（4）式進(jìn)行計(jì)算：

式中：fcu為水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；

P 為試樣的極限荷載，N；

A 為試樣的受壓面積，mm2。

根據(jù)式（4）可得到不同配合比的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。對各個(gè)試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并通過處理后，可得到不同配合比的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，其具體結(jié)果見表4。

表4 玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值

圖1 為未摻玄武巖纖維水泥土試塊的抗壓破壞性狀，圖2為摻有玄武巖纖維水泥土的抗壓破壞性狀。

圖1 未摻玄武巖纖維水泥土的抗壓破壞性狀

圖2 摻玄武巖纖維水泥土的抗壓破壞性狀

通過觀察兩種試件受壓時(shí)的表現(xiàn)，可以判斷玄武巖纖維對水泥土的影響，其中未摻玄武巖纖維的水泥土受壓時(shí)表現(xiàn)為脆性破壞（圖1），而摻有玄武巖纖維的水泥土受壓時(shí)表現(xiàn)為塑形破壞（圖2）。

由表4 可以比較直觀地看出，無論哪個(gè)齡期的水泥土，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值均會(huì)隨著玄武巖纖維摻量的增加而增大，但是增大的幅度會(huì)減緩。具體分析如下：

（1）養(yǎng)護(hù)齡期為7d 時(shí)，B、C、D 各組的強(qiáng)度比未摻玄武巖纖維的A 組分別增長了21.43%、44.29%和61.43%，其強(qiáng)度增長率明顯高于其他齡期時(shí)的增長率。這說明玄武巖纖維的摻入在早期就能夠?qū)λ嗤恋目箟簭?qiáng)度起到了較好的增強(qiáng)效果。B 組相對于A 組、C 組相對于B 組和D 組相對于C 組，玄武巖纖維的增量都是0.5%，但是它們的水泥土抗壓強(qiáng)度的增長率是不同的，分別為21.43%、18.82%和11.88%。由此可以得出，在相等的玄武巖纖維增量的情況下，水泥土抗壓強(qiáng)度的增長率隨摻量的增加而減小。

（2）養(yǎng)護(hù)齡期為28d 時(shí)，B、C、D 各組的強(qiáng)度相對于A 組分別增長了13.25%、21.69%和27.11%。B、C、D 各組的強(qiáng)度相對于前一組分別增長了13.25%、7.45%和4.46%。這一數(shù)據(jù)也說明了，雖然隨著玄武巖纖維摻量的增加，水泥土的抗壓強(qiáng)度也在增大，但是其增大的幅度在不斷減小。

（3）養(yǎng)護(hù)齡期為60d 和90d 時(shí)，其抗壓強(qiáng)度的增長趨勢也幾乎同7d 和28d 時(shí)一致，同樣也是強(qiáng)度增長的速率隨著玄武巖纖維摻量的增加而減小。

（4）摻有玄武巖纖維的水泥土試樣表現(xiàn)為塑性破壞，是因?yàn)樵诩訅哼^程中土顆粒與玄武巖纖維之間的膠結(jié)變得更加密實(shí)，使得兩者間的摩擦力不斷增加，可以有效地傳遞和分散荷載，抑制了水泥土內(nèi)部裂縫的發(fā)展，破壞時(shí)不會(huì)形成連通的破裂面，增加了水泥土的整體性和韌性。

3.3 齡期與玄武巖纖維水泥土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

玄武巖纖維水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期較符合對數(shù)曲線關(guān)系。因此，利用對數(shù)關(guān)系式對不同配合比的水泥土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行擬合。不同配合比的對數(shù)關(guān)系曲線如圖3 所示，擬合公式如式（5）～（8）所示。

玄武巖纖維水泥土的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線如圖3 所示。

圖3 玄武巖纖維水泥土試樣A、B、C、D 的抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系曲線

從圖3 中可以比較直觀地看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，水泥土的抗壓強(qiáng)度也隨之增大，主要原因是水泥水化反應(yīng)進(jìn)行越來越充分了。在28d 齡期之前，水泥土的抗壓強(qiáng)度增長速率較快，是因?yàn)榍捌谒嗟乃⒂材确磻?yīng)速率較快；而到了28d齡期之后，水泥土的抗壓強(qiáng)度增長速率減緩，但是其強(qiáng)度還是在增大，一般到90d 齡期時(shí)強(qiáng)度才會(huì)趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文通過開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，研究不同玄武巖纖維的摻量以及齡期對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響，得出以下結(jié)論：

（1）玄武巖纖維的摻量對水泥土的抗壓強(qiáng)度有顯著的提升作用，隨著玄武巖纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度也增加，但其增幅會(huì)隨著摻量的增加而有所減緩。

（2）未摻玄武巖纖維的水泥土受壓時(shí)表現(xiàn)為脆性破壞，而摻有玄武巖纖維的水泥土受壓時(shí)表現(xiàn)為塑形破壞，這說明玄武巖纖維提高了水泥土的韌性和整體穩(wěn)定性。

（3）隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，水泥土的抗壓強(qiáng)度也隨之增大，28 齡期之前水泥土的抗壓強(qiáng)度增長速率較快，28d 齡期之后水泥土的抗壓強(qiáng)度增長速率減緩，通過擬合曲線，可以對水泥土的抗壓強(qiáng)度預(yù)測提供一定的參考價(jià)值。